李繼威，　干富軍，　鄭軼雄，　張朝柱, ，　朱麗兵，　顧漢洋

(1． 上海核工程研究設(shè)計院， 上海 200233； 2． 上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240)

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燃料組件管座壓降試驗研究

李繼威1，干富軍1，鄭軼雄1，張朝柱1, 2，朱麗兵1，顧漢洋2

(1． 上海核工程研究設(shè)計院， 上海 200233； 2． 上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240)

摘要：介紹了CAP1400燃料組件上下管座壓降試驗過程和數(shù)據(jù)處理方法，得到了阻力系數(shù)及其測量不確定度，并與對比燃料組件上下管座的試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析.結(jié)果表明：試驗本體的摩擦壓降基本可以忽略；CAP1400上下管座和對比上下管座的阻力系數(shù)的相對擴(kuò)展不確定度均小于1.5%；CAP1400上管座的阻力系數(shù)相比對比上管座降低約9%；CAP1400下管座的阻力系數(shù)相比對比下管座降低約2.4%.

關(guān)鍵詞：燃料組件； 上管座； 下管座； 阻力系數(shù)； 壓降試驗

大型先進(jìn)壓水堆核電站CAP1400堆芯內(nèi)共裝載193組燃料組件，燃料組件類型既可采用自主設(shè)計研發(fā)的CAP1400燃料組件，也可采用其他類型燃料或共存(混合堆芯).燃料組件上管座和下管座作為CAP1400燃料組件的重要組成部件，其阻力系數(shù)和防異物特性等必須滿足設(shè)計要求.雖然從理論上講，上下管座阻力系數(shù)越小越好，以便為其他零部件提供充足的設(shè)計裕量；然而，如果上下管座的阻力系數(shù)太小，在混合堆芯情況下，會導(dǎo)致堆芯入口橫向流過大，引起燃料棒振動，對包殼振動磨蝕產(chǎn)生不利的影響.因此，燃料組件上下管座必須具有適當(dāng)?shù)淖枇ο禂?shù)[1].

燃料組件上下管座的阻力系數(shù)可通過試驗方法測量得到.燃料組件管座壓降試驗的目的是測量上下管座在第二自模區(qū)的阻力系數(shù)，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合外推得到堆芯流動雷諾數(shù)條件下的管座阻力系數(shù).

根據(jù)CAP1400核電廠用燃料組件上下管座的設(shè)計要求，開展了CAP1400上下管座的壓降試驗研究，并與國內(nèi)電廠在用某型燃料組件上下管座(以下簡稱對比上下管座)的試驗結(jié)果進(jìn)行了比較.測量了上述結(jié)構(gòu)件在不同流量下的阻力系數(shù)，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析.

1管座結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)

1.1上管座

CAP1400燃料組件上管座采用了優(yōu)化格板和連接方式的鑄造上管座方案.通過優(yōu)化上格板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上管座結(jié)構(gòu)性能和水力學(xué)性能的優(yōu)化；新的結(jié)構(gòu)形式更利于精密鑄造加工，同時也兼容機(jī)械加工，提升了制造的靈活性；通過優(yōu)化與骨架端部的連接方式，使上管座具有高效可拆的特點(diǎn).上管座流水孔布置如圖1所示.

圖1　上管座流水孔布置示意圖

1.2下管座

CAP1400燃料組件下管座采用了十字嵌片的防異物下管座方案.通過大口徑流水孔保持較小的阻力系數(shù)；通過板厚調(diào)整保持足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；同時通過十字嵌片對大流水孔流通面積進(jìn)行了細(xì)分，配合其上下沿不規(guī)則曲線結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了捕獲異物的能力.下管座還可與異物過濾管陣形成良好的互補(bǔ)，配合成為雙重防異物下管座.下管座流水孔布置如圖2所示.

圖2　下管座流水孔布置示意圖

2試驗系統(tǒng)

2.1試驗裝置

燃料組件上下管座壓降試驗在多功能大流量閉式綜合水力試驗回路中開展.水力試驗回路包含試驗本體、大小2個閉式環(huán)路以及輔助系統(tǒng).大環(huán)路采用2臺800 t/h的離心泵并聯(lián)，總的設(shè)計體積流量為1 600 t/h，小環(huán)路采用2臺400 t/h的離心泵并聯(lián)，總的設(shè)計體積流量為800 t/h.由供水系統(tǒng)制造的去離子水通過主泵注入主管道，通過一個三通后，形成試驗支路和旁路.試驗支路的去離子水經(jīng)過截止閥、渦輪流量計、電動調(diào)節(jié)閥和試驗本體后，經(jīng)截止閥，與旁路去離子水匯合，通過換熱器冷卻后回到主泵.

矩形試驗本體用于安裝試驗件，橫截面尺寸為一盒燃料組件的流道橫截面.去離子水自下而上流經(jīng)試驗本體及試驗件.

試驗時，在試驗件前后的矩形通道上布置壓差傳感器，具體位置如圖3所示.在試驗件上游足夠遠(yuǎn)處方管橫截面上設(shè)置1個取壓點(diǎn)，作為壓差表DP3、DP4和DP5的共同高壓取壓點(diǎn)，以及壓力表p的取壓點(diǎn).在同一截面的對側(cè)設(shè)置1個取壓點(diǎn)，作為壓差表DP1的高壓取壓點(diǎn).在距共同高壓取壓點(diǎn)下游不同距離橫截面同側(cè)上分別設(shè)置取壓點(diǎn)作為壓差表DP3、DP4和DP5的低壓取壓點(diǎn).在DP5的低壓取壓點(diǎn)同一橫截面的對側(cè)設(shè)置1個取壓點(diǎn)，作為DP1的低壓取壓點(diǎn).其中，DP3、DP4和DP5用于測量試驗件下游不同位置的壓降，DP1用于與DP5進(jìn)行對比.

2.2測量裝置

2.2.1儀器儀表

試驗過程中需要測量和記錄的數(shù)據(jù)包括回路體積流量、流體溫度、回路壓力和測量段的壓差.試驗使用的儀器儀表信息匯總見表1.

圖3　壓差傳感器布置示意圖

測量參數(shù)儀器儀表量程精度流體溫度T型熱電偶0～200℃1級精度回路體積流量渦輪流量計60～600m3/h0.5%回路壓力智能壓力傳感器0～1.5MPa0.2級精度壓差智能壓差傳感器0～30kPa0.1級精度

2.2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

壓降試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時同步采集的信號主要包括：回路體積流量、回路壓力、各測量段壓差及流體溫度.所有信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集后，進(jìn)行模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，輸入計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示、計算和存儲[2].

2.3試驗件

壓降試驗采用的試驗件為CAP1400燃料組件上下管座試驗件以及對比燃料組件上下管座試驗件共4種.試驗件規(guī)格及材料與實(shí)際產(chǎn)品相同，其中上管座試驗件不安裝壓緊彈簧.試驗件通過焊接在矩形試驗本體上的小圓柱固定，防止軸向竄動.小圓柱體積很小，且焊接在流動滯止區(qū)，對試驗過程中壓降測量沒有影響.

2.4試驗工況

試驗回路壓力名義值為1.0 MPa，雷諾數(shù)Re從20 000左右增大到270 000左右.

3結(jié)果與討論

3.1雷諾數(shù)和阻力系數(shù)的計算

雷諾數(shù)的計算公式為

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；qV為體積流量，m3/h；De為特征長度(即當(dāng)量水力直徑)，mm；A為試驗本體流通面積，cm2；ν為流體黏度系數(shù)，Pa·s.

在上管座壓降試驗中,通過測量得到的各段的壓差計算得到上管座形阻引起的壓差Δp形阻.Δp形阻與上管座試驗件阻力系數(shù)K的關(guān)系式為

(2)

式中：V為流體特征速度，V=qV/A.

由此可以得到上管座試驗件的阻力系數(shù)為

(3)

計算形阻壓降Δp形阻時,需要考慮摩擦阻力引起的壓降及溫度的影響，計算公式為

(4)

式中：pd為各段壓差，可取pd1、pd3、pd4、pd5(分別對應(yīng)壓差表DP1、DP3、DP4、DP5)；Δp摩擦為摩擦阻力引起的壓降；ρ冷為引壓管內(nèi)流體密度；ρ熱為試驗本體內(nèi)流體密度；h為同一壓差傳感器2個取壓點(diǎn)位差，m.

3.2測壓點(diǎn)對試驗結(jié)果的影響

圖4給出了CAP1400上管座壓差pd3、pd4和pd5隨體積流量的變化.由圖4可以看到，上管座出口壓差pd3大于壓差pd4和pd5，主要是由于壓差表DP3的低壓側(cè)取壓點(diǎn)距離試驗本體下游較近，流動尚未充分發(fā)展，靜壓未得到恢復(fù).壓差表DP4與DP5在體積流量較小時有較小差異，隨著體積流量逐漸增大，其值基本一致，主要是由于壓差表DP4的低壓側(cè)取壓點(diǎn)位置后流場已基本達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài).因此，試驗本體的摩擦引起的壓降基本可以忽略，即Δp摩擦=0.

圖5給出了壓差pd1和pd5隨體積流量的變化曲線.壓差pd1和pd5隨體積流量的變化曲線完全吻合.由于壓差表DP1的高低壓側(cè)取壓點(diǎn)與壓差表DP5的高低壓側(cè)取壓點(diǎn)軸向高度相同但取壓點(diǎn)位置獨(dú)立，因此可證明試驗消除了測壓點(diǎn)的影響，保證了壓差測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

圖4　壓差pd3、pd4和pd5隨體積流量的變化

Fig.4Differential pressurespd3,pd4andpd5vs. volumetric flow rate

3.3測量不確定度計算

K的標(biāo)準(zhǔn)不確定度與所測量各分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度直接相關(guān).由阻力系數(shù)K的計算公式可知，阻力系數(shù)K的不確定度是Δp、A、ρ和qV的不確定度的函數(shù).其中，試驗本體流通面積A受試驗件的影響很小，計算時取確定值，ρ由p和T計算得出.因此，K的標(biāo)準(zhǔn)不確定度σK與Δp、qV、p和T的標(biāo)準(zhǔn)不確定度δΔp、δqV、δp和δT的關(guān)系為：

圖5　壓差pd1和pd5隨體積流量的變化

(5)

每個分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度應(yīng)包括A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度2個方面的總和[3]，即Δp、qV、p和T的標(biāo)準(zhǔn)不確定度δΔp、δqV、δp和δT由A類和B類2部分構(gòu)成.A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可通過分別求兩者測量值平均數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差得到.B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度通過已標(biāo)定儀器的測量不確定度得到.根據(jù)試驗信息，壓差測量使用的壓差變送器的測量不確定度σΔp=0.065%，體積流量測量使用的渦輪流量計的不確定度σM=0.5%，流體溫度測量使用的T型熱電偶為1級精度，回路壓力測量使用的智能壓力傳感器為0.2級精度.

本試驗中取ke=2作為阻力系數(shù)K的擴(kuò)展不確定度的包含因子(即置信因子)，計算得到K的擴(kuò)展不確定度UK.將K的擴(kuò)展不確定度UK除以相應(yīng)的K得到相對擴(kuò)展不確定度UK,rel.

根據(jù)上述方法對不同試驗件測得的不同體積流量下的阻力系數(shù)K的相對擴(kuò)展不確定度UK,rel進(jìn)行計算.對于每個試驗件，取各體積流量下最大的UK,rel保守作為其相對測量不確定度，計算結(jié)果見表2.

表2阻力系數(shù)K的最大相對擴(kuò)展不確定度計算結(jié)果

Tab.2Calculation results of measurement uncertainty for resistance coefficientK

%

3.4回歸分析

圖6為試驗測得的CAP1400上管座阻力系數(shù)K隨雷諾數(shù)Re的變化曲線.根據(jù)曲線形狀，選用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)3種關(guān)系式進(jìn)行回歸分析.3種關(guān)系式均可轉(zhuǎn)化為線性回歸關(guān)系式y(tǒng)=ax+b，其轉(zhuǎn)化后的相關(guān)系數(shù)r見表3.

圖6　CAP1400上管座阻力系數(shù)隨Re的變化

Fig.6Resistance coefficient of CAP1400 top nozzle vs. Reynolds number

表3各關(guān)系式轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系式后的相關(guān)系數(shù)

Tab.3Correlation coefficients of various formulae by linear transformation

關(guān)系式線性化后因變量和自變量相關(guān)系數(shù)ry=axblny,lnx-0.71412y=aebxlny,x-0.69262y=aeb/xlny,1/x0.71585y=a+blnxy,lnx-0.71385

4種關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)非常接近，選用相關(guān)系數(shù)絕對值最大的第3個關(guān)系式進(jìn)行回歸分析.

對比上管座和CAP1400燃料組件上管座壓降試驗結(jié)果見圖7.由圖7可知,在不考慮壓緊彈簧的相同試驗條件下，CAP1400上管座的阻力系數(shù)要低于對比上管座.將曲線外推至Re=500 000，此時CAP1400上管座的阻力系數(shù)為0.438，對比上管座的阻力系數(shù)為0.483，前者相對于后者降低約9%.

圖7　上管座阻力系數(shù)隨Re的變化(回歸關(guān)系)

Fig.7Resistance coefficient of top nozzle vs. Reynolds number (regression)

對比下管座和CAP1400燃料組件下管座壓降試驗結(jié)果見圖8.由圖8可知,在相同試驗條件下，CAP1400下管座的阻力系數(shù)要低于對比下管座.將曲線外推至Re=500 000，此時CAP1400下管座的阻力系數(shù)為1.741，對比下管座的阻力系數(shù)為1.783，前者相對于后者降低約2.4%.

圖8　下管座阻力系數(shù)隨Re的變化(回歸關(guān)系)

Fig.8Resistance coefficient of bottom nozzle vs. Reynolds number (regression)

4結(jié)論

(1) 距共同高壓取壓點(diǎn)下游不同高度處的橫截面同側(cè)上的壓差測量結(jié)果非常接近，表明試驗本體的摩擦壓降基本可以忽略；同一高度下不同位置取壓點(diǎn)的壓降測量結(jié)果一致，表明測壓點(diǎn)對試驗結(jié)果沒有影響.

(2) 測得CAP1400上下管座阻力系數(shù)的最大相對擴(kuò)展不確定度分別為1.5%和1.1%，對比上下管座阻力系數(shù)的最大相對擴(kuò)展不確定度分別為1.25%和1.2%，測量不確定度均小于1.5%，試驗結(jié)果穩(wěn)定可靠.

(3) 在雷諾數(shù)Re=500 000時，CAP1400上管座的阻力系數(shù)相比對比上管座降低約9%，CAP1400下管座的阻力系數(shù)相比對比下管座降低約2.4%，表明CAP1400上下管座流水孔設(shè)計能夠獲得較低的管座壓降.

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭明光，杜圣華.壓水堆核電站工程設(shè)計[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[2]劉華，沈勝強(qiáng)，陳石,等. 轉(zhuǎn)角正方形管束有降膜流動時的壓降試驗[J]. 動力工程學(xué)報，2013，33(8)：633-636.

LIU Hua，SHEN Shengqiang，CHEN Shi，etal. Experimental study on pressure drop of falling film flow across tube bundles in rotated square arrangement[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33(8)：633-636.

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Experimental Study on Pressure Drop Characteristics of Fuel Assembly Nozzles

LIJiwei1,GANFujun1,ZHENGYixiong1,ZHANGChaozhu1,2,ZHULibing1,GUHanyang2

(1.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China;2. School of Nuclear Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：To measure the pressure drop in top and bottom nozzles of CAP1400 fuel assembly, experimental tests were conducted, after which the coefficient of resistance and the uncertainty of measurement were obtained through data processing with the appropriate method proposed, while a comparison and an analysis were performed between above test results and the data of reference test pieces. Results show that the frictional pressure drop of test specimen can be ignored; the relative expanded uncertainty of resistance coefficent for both the CAP1400 and the reference top and bottom nozzles are all lower than 1.5%; the resistance coefficient of CAP1400 top nozzle is 9% lower than that of the top reference test piece, while the resistance coefficient of CAP1400 bottom nozzle is 2.4% lower than that of the bottom reference test piece.

Key words：fuel assembly; top nozzle; bottom nozzle; resistance coefficient; pressure drop measurement

文章編號：1674-7607(2016)03-0242-05

中圖分類號：TL352

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號：490.40

作者簡介：李繼威(1985-)，男，山東泰安人，工程師，碩士，主要從事燃料和相關(guān)組件設(shè)計方面的工作.電話(Tel．)：021-61864053；

基金項目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目(13DZ2250200)

收稿日期：2015-06-17

修訂日期：2015-06-26

E-mail：lijiwei@snerdi.com.cn．